4.2.1 醫(yī)用鈦合金材料的生物學(xué)評價概述 

凡與人體接觸和植入或介入人體內(nèi)部的各類醫(yī)療器械原則上都存在一定的潛在風(fēng)險性。醫(yī)療器械和人體之間的相互作用和影響的過程和規(guī)律非常復(fù)雜，會在器械(施體)與機體(受體)之間發(fā)生組織、血液、免疫和全身反應(yīng)等主要4種生物學(xué)反應(yīng)。而這些生物學(xué)反應(yīng)在臨床上也可能會出現(xiàn)以下并發(fā)癥：

(1) 滲出物反應(yīng)；(2) 感染；(3) 鈣化；(4) 血栓栓塞；(5) 腫瘤等。其中感染是外科植入器械在治療上最常見的主要并發(fā)癥之一，其發(fā)生率約為1%~10%。上世紀(jì)80年代末臨床醫(yī)生對TC4鈦合金人工髖關(guān)節(jié)實施翻修手術(shù)時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其假體周圍骨組織有致炎感染和黑化現(xiàn)象，而其表面狀態(tài)欠佳諸如耐磨性差或外加涂層脫落、降解等也會導(dǎo)致植入體與骨組織之間不能實現(xiàn)化學(xué)緊密結(jié)合等。另外TC4鈦合金較高的彈性模量E (約110 GPa)與低模量的自然骨(5~30 GPa)之間的彈性不匹配可引起骨吸收、骨萎縮等一系列并發(fā)癥。因此，它們在應(yīng)用于臨床前都必須進(jìn)行一系列的生物學(xué)研究和評價。有關(guān)醫(yī)用鈦合金器械的生物學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)于表5。

4.2.2 醫(yī)用鈦合金材料的生物學(xué)性能及生物相容性研究 

生物相容性(biocompatibility)是指材料與生物體之間相互作用后產(chǎn)生的各種生物、物理、化學(xué)等反應(yīng)或耐受能力，即材料植入人體后與人體的相容程度，借此研究生物材料是否會對人體組織造成毒害作用。對于與人體組織接觸或修復(fù)、替代病變組織的天然和合成的生物材料，或是外科植入物、微創(chuàng)介入器件和有源醫(yī)療器械，由于它們間接或直接與人體的組織和血液進(jìn)行短期或長期接觸直至失效為止，因此，生物醫(yī)用材料質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到患者的生活質(zhì)量和生命安危，在其進(jìn)入臨床應(yīng)用前必須確保其生物相容性和安全性。

Okazaki研究揭示了純金屬的細(xì)胞毒性、外科植入材料的極化電阻和生物相容性的關(guān)系，成為合金元素選擇的重要參考依據(jù)，并且認(rèn)為Al、V和Fe這3種元素是高度細(xì)胞毒性元素。大量臨床研究已經(jīng)證實：TC4鈦合金中的V因化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定易引起生物學(xué)上的炎性反應(yīng)和纖維包囊，其生物毒性要超過Ni和Cr，而Al被證實會引起骨軟化、貧血和神經(jīng)紊亂等癥狀。根據(jù)純金屬及其合金的生物相容性測試可以發(fā)現(xiàn)，V、Cd、Co、Hg、Cr、Ni等元素對細(xì)胞的接觸毒性較強，Al、Fe元素次之。具有磁性的Fe、Co、Ni等元素還會對射線造成阻礙，不利于患者術(shù)后進(jìn)行CT或MRI檢查。因此，優(yōu)先采用Ti、Zr、Mo、Sn、Ta、Nb、Pd、Hf等對于機體有益或毒副作用較小的合金添加元素，將有利于提高或改善鈦合金材料的生物相容性。

有關(guān)醫(yī)用鈦合金材料在體內(nèi)的骨整合性能，人們普遍認(rèn)為是通過植體材料表面與周圍組織在分子及細(xì)胞水平上的相互作用而完成的。鑒于細(xì)胞和蛋白質(zhì)尺寸分別是1~100 mm和1~10mm，因此，生物材料表面組織(結(jié)構(gòu))形態(tài)就對細(xì)胞黏附、生長和分化等產(chǎn)生重要影響。當(dāng)鈦合金植入骨組織后很快就吸附周圍血液、組織液中的生物大分子，如纖維粘連蛋白、骨粘連蛋白、纖維蛋白原以及各種細(xì)胞因子(如骨形成蛋白、 b -轉(zhuǎn)化生長因子等)，然后形成生物大分子層并引起一系列的細(xì)胞學(xué)變化：細(xì)胞轉(zhuǎn)化因子引導(dǎo)未分化間充質(zhì)細(xì)胞、骨母細(xì)胞、成骨細(xì)胞向植體材料表面移行，通過細(xì)胞粘連因子而發(fā)生貼壁，然后在細(xì)胞生長因子的作用下出現(xiàn)增殖或分化等不同生物學(xué)反應(yīng)，隨后在植體材料表面產(chǎn)生細(xì)胞層增殖、分化、合成并分泌細(xì)胞外基質(zhì)而后礦化成骨。而植體材料表面的理化性質(zhì)也會影響生物大分子層的結(jié)構(gòu)、組成和空間構(gòu)象，進(jìn)而導(dǎo)致不同的細(xì)胞學(xué)表現(xiàn)。

例如，材料表面超細(xì)晶化后具有較高強度、表面硬度和耐磨性等特性，同時材料表面組織(結(jié)構(gòu))形態(tài)與其表面殘余應(yīng)力、表面能、表面電荷等也高度相關(guān)，而研究已證實成骨細(xì)胞對微納米尺度表面粗糙度變化的響應(yīng)比傳統(tǒng)光滑表面更敏感，且多孔結(jié)構(gòu)對于細(xì)胞分化功能的影響在一定范圍內(nèi)甚至可以大于材料成分對于細(xì)胞分化功能的影響。可見，骨植入材料表面選擇性吸附生物大分子是影響整個界面骨愈合中間過程的控制環(huán)節(jié)并可通過細(xì)胞學(xué)的不同反應(yīng)表現(xiàn)出來，成骨細(xì)胞在生物材料表面的貼壁率、生長曲線、細(xì)胞層堿性磷酸酶活性和蛋白質(zhì)含量等生物學(xué)指標(biāo)均可反應(yīng)細(xì)胞的生長與功能分化特性，而從組織愈合的一般性到骨愈合的特殊性均可較全面地反映骨科材料促進(jìn)界面骨性愈合的能力，因而可作為研究和評價鈦合金材料生物相容性的重要內(nèi)容和評價指標(biāo)。

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